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实用标准
一、激光基本原理
1
、
LASER
是什么意思
Light
Amplification by Stimulated Emission of Radiation(
通过诱导放出实
现光能增幅
的英语开头字
母
2
、激光产生的原理
激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质
,
使介质内部原子的电
子获得能量
,
受激而使电子
运动轨道发生迁移
,<
/p>
由低能态变为高能态。处于激发态的
原子
,
受外界辐射感应
,
使处于激发态的原
子跃迁到低
能态
,
< br>同时发出一束光
;
这束光
在频率
、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致
,
此时的光为
受激辐射
光。
为了得到高能量密度、高指向性的激光
,
必须要有封闭光线
的谐振腔
,
使观光束
在置于激光发生介
质两侧的
反射镜之间往复振荡
,
进而提高光强
,
同时提高光的方向
性。含有钕
(ND
的
YAG
结晶体发生的激光是一种人眼看
不见的波长为
1.064um
的近
红外光。这种光束在微弱的受激发情况下
,
也能实现连续发振。
YAG
晶体是宝
石钇铝
石榴石的简称
,
具有优异的光学特性
,
是最佳的激光发振用结晶体。
3
、激光的主要特长
a
、单色性――激光不是已许多不同的光混一合而成的
,
它是最纯的单色光
(
波
长、频率
b
、方向性――激光传播时基本不向外扩散。
c
、相干性――激光的位相
(
波峰和波谷
很有规律
,
相干性好。
d
、高输出功率――用透镜聚焦激光后
,
所得到
的能量密度是太阳光的几百倍。
二、
YAG
激光焊接
文档
实用标准
激光焊接是利用激光束优异
的方向性和高功么密度等特点进行工作。
通过光
学系统将激光束聚焦在很小的区
域内
,
在极短的时间内使被焊处形成一
个能量高度
集中的热源区
,
从而使被焊
物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。
常用的激光焊接方式有两种
:
脉冲激光焊和连续激光焊。前者主要用于单点固
定连续和薄件材料的焊接。后
者主要用于大厚件的焊接和切割。
l
、激光焊接加工方法的特征
A
、非接触加工
,
不需对工件加压和进行表面
处理。
B
、焊点小、能量密度高、适合于高速加工。
C
、短时间焊接
,
< br>既对外界无热影响
,
又对材料本身的热变形及热影响区小
,
尤其
适合加工高熔点、高硬度、
特种材料。
D
、不需要填充金属、不需要真空环境
(
可在空气中直接进行
、不会像电子束
那样在空气中产生
X
射线的危
险。
E
、与接触焊工艺相比
.
无电极、工具等的磨损消耗。
F <
/p>
、无加工噪音
,
对环境无污染。
G
、微小工件也可加工。此外
,
还可通过透明材料的壁进行焊接。
H
、可通过光纤实现远距离、普通方法难以达到的部位、多路
同时或分时焊
接。
I
、很容易改变激光输出焦距及焊点位置。
J
、很容易搭载到自动机、机器人装置上。
文档
实用标准
K
、对带绝缘层的导体可直接进行焊接
,
对性能相差较大的异种
金属也可焊
接。
2
、脉冲激光焊接的机理
传热溶化焊接是指当激光束照射到材料的表面上时
,
材料吸收光能而加热熔
化。材料表面层的热以传导方式
继续向材料深处传递
,
直至将两个待焊件的
接触面
互溶并焊接在一起。
深穿入熔
化焊接是指当更大功率密度的激光束照射到材料上时
,
材料被加
工熔
化以至气化
,
产生较大的蒸汽
压
,
在蒸汽的压
力的作用下
,
溶化金属被挤在周围使照
射处
(
熔池
呈现出一个凹坑
,
随着激光束的继续照射
,
凹
坑越来越深
,
并穿入到另一个
工件中。激光停止照射后
,
被排挤在凹坑周围的溶化金属重新流回到凹坑里
,
凝固
后
将工件焊接在一起。
这两种激光焊接机理
,
与功率密度、照射时间、材料
性质、焊接方式等因素有
关。当功率密度较低、照射时
间较长而焊件较薄时
,
通常以传热溶化机理为
主进
行。反之
,
则是以深穿入熔化机理
为主进行
激光焊接技术应用
引言
激光焊接是激光加工材料加工技术应用的重要方面之一。
70
年代主要用于焊
接薄壁材料和低速焊接
,
焊接过
程属于热传导型
,
即激光辐射加热工件表面
,
表面热
量通过热传导向内部扩散
,
通过控制激光脉冲的宽度、
能量、
峰值功率和重复频
率等参数
,
使工件熔化
,
形成特定的熔池。由于激光焊接作为一种高质量、高精度、
低变
形、
高效率和高速度的焊接方法
,<
/p>
随着高功率
CO2
和高功率的
YAG
激光器以
及光纤传输技术的完善、金属钼焊接聚束
物镜等的研制成功
,
使其在机械制造、航
< br>空航天、汽车工业、粉末冶金、生物医学微电子行业等领域的应用越来
越广。
目
前的研究主要集中于
C02
激光和
YAG
激光焊接各种金属材料时的理论
,
包括激光
诱发的等离子体的分光、
<
/p>
吸收、散射特性以及激光焊接智能化控制、复合焊接、
文档
实用标准
激光焊接现象及小孔行为、焊接缺陷发生机理与防止方法
等
,
并对镍基耐热合金、
< br>铝合金及镁合金的焊接性
,
焊接现象建模与数值模拟
,
钢铁材料、铜、铝合金与异种
材
料的连接
,
激光接头
性能评价等方面做了一定的研究。
一、激光焊接的质量与特点
激光焊接
原理
:
激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面
,
通过激光与金属
的相互作用
,
金属吸收激光
转化为热能使金
属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接
的机理有两种
:
1
、热传导焊接
当激光照射在材料表面时
,
一部分激光被反射
,
一部分被材料吸收
,
将光
能转化为
热能而加热熔化
,
材料表
面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递
,
最后将两焊
件熔接在一起。
2
、激光深熔焊
当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时
,
材料吸收光
能转化为热能
,
材料
被加热熔化至汽化
,
产生大
量
的金属蒸汽
,
在蒸汽退出表面时产生的反作用力下
,
使
熔化的金属液体向四周排挤
,
形成凹坑
,
随着激光的继
续照射
,
凹坑穿人
更深
,
当激光
停止照射后
,
凹坑周边的熔液回流
,
冷
却凝固后将两焊件焊接在—起。
这两种焊接机理根据实际的材料性质和焊接需要来选择
,
通过调节激光的各焊
接工艺参数得到不同的焊接机
< br>
理。这两种方式最基本的区别在于
:
< br>前者熔池表面保
持封闭
,
而后者
熔池则被激光束穿透成孔。传导焊对系统的
扰动较小
,
因为激光束的
辐射没有穿透被焊材料
,
所以
,
在传导焊过程
中焊缝不易被气体侵入
;
而深熔焊时
,
小
孔的不断关闭能导致气孔。传导焊
和深熔焊方式也可以在同一焊接过程中相互转换
,
由传导方式向
小孔方式的转
变取决于施加于工件的峰值激光能量密度和激光
脉冲
持续时间。
激光脉冲能量密度的时间依赖性能够使激光焊接
在激光与材料相互作
用期间由一种焊接方式向另一种方式转变
,
即在相互作用过程中焊缝可以先在传导
方式下形<
/p>
文档
实用标准
成
,
然后再转变为小孔方式。
1
、激光焊接的焊缝形状
对于大功率深熔焊由于在焊缝熔池处的熔化金属
,
由于材料的瞬时汽化而形成
深穿型的圆孔空腔
,
随着激光
束与工件的相对运动使小孔周边金属不断熔
化、流
动、封闭、凝固而形成连续焊缝
,
其焊缝形状深而窄
,
即具有
较大的熔深熔宽比
,
在
高功率器件焊接时
,
深宽比可达
5:l ,
最高可达
10:1
。
四种焊法在
316
不锈钢及
DUCOLW30<
/p>
钢上的焊缝截面形状的比较
,
对比的结论
有以下几点
:(1
激光焊和电子
束焊比
TIG
和等离子焊的主要优点相似
:
焊缝窄、
穿透深、
焊缝两边平行、
热影
响区小
;
(2TIG
和等离子焊投资少
,
广泛应用了许多年
,
经验比较多
; (3
激光焊和电
子束焊在高生产率方面优势大得多。
但电子
束焊须在真空室或局部真空中进行。也可在空气中
,
但熔透能力
比激光
焊差
;
(4
激光焊和电子束焊
,
焊缝窄且热
影响区小
,
因而变形最小。
2
、激光焊接焊缝的组织性能
采用大功率激光光束焊接时
,
因其能量密度极
高
,
被焊工件经受快速加热和冷却
的热
循环作用
,
使得焊缝和
热影响区区域极窄
,
其硬度远远高于母材
,
因此
,
该区域的
塑性相对较低。为了降低接头区域的硬度
,
应
采取焊
接前预热和焊后回火等相应的
工艺措施。
激光回火是一种在激光焊后随即采用非聚焦的低能
量密度光束对焊道
进
行多道扫描从而
降低焊缝硬度的新工艺。激光焊接金属及热影响区的组织和硬
度是由化学成分和冷却速度
决定
的。在激光焊接中
,
现行焊接工艺一般不需要填充
金属。在这种情况下
,
焊缝的组织和硬度主要由钢板的化学成
分和激光照射条件来
决定。采用填充焊丝的激光焊接由于可以选择任意合金成分的焊
丝作为最佳的焊缝
过渡合
金
,
因而可以保证两侧母材的联结具有最佳性能。可以对高熔点、高热导<
/p>
率、物理性质差异较大的异种或同种金
属材料进行焊接
,
可以得到无污染、杂质少
的焊缝。激光焊接加热速度快
,
焊接熔池迅速冷却
,
与普通的常规焊
接在金相组织上
有着很大的区别。
文档
实用标准
二、激光焊接的应用领域
1
、制造业应用
激光拼焊
(TailoredBlandLaserWeld
ing
技术在国外轿车制造中得到广泛的应
用
< br>,
据统计
,
2000
年全球范围
内剪裁坯板激光拼焊生产线超过
100
条
,
年产轿车构
件拼焊坯板
7000
万件
,
并继
续以较高速度增长。国内生产
的引进车型
Passat ,
Buick , Audi
等也采用了一些剪裁坯板结构。日本以
CO2
激光焊代替了闪光对焊
进行制钢业
< br>轧钢卷材的连接
,
在超薄板焊接的研究
< br>,
如板厚
100
微米以下的箔
片
,
无
法熔焊
,
但通过有特殊输出功率波形的
YAG
激光焊得以成功
,
显示了激光焊的广阔
前途。日本还在世界上首次成功开发了将
YAG
激光焊用于核反应堆中
蒸气发生器<
/p>
细管的维修等
,
在国内苏宝蓉等还进行了
齿轮的激光焊接技术。
2
、粉末冶金领域
< br>随着科学技术的不断发展
,
许多工业技术上对材料特殊要
求
,
应用冶铸方法制造
的材料已不能满
足需要。由
于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点
,
在某些领
域如汽车、飞机、工具刃具制造业
中正在取代传统的冶铸
材料
,
随着粉末冶金材料
的日益发展
,
它与其它零件的连接问题显得日益突出
,
使粉末冶金材料的应用受到
限制。
<
/p>
在八十年代初期
,
激光焊以其独特的优点
进入粉末冶金材料加工领域
,
为粉末
冶
金材料的应用开辟了新的前景
,
如采用粉末冶金材料连接中常
用的钎焊的方法焊
接金刚石
,
由于结合
强度低
,
热影响区宽特别是不能适应高温及
强度要求高而引起钎
料熔化脱落
,
采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。
3
、汽车工业
20
世纪
80
年代后期
,
千瓦级激光成功应用于工业生产
< br>,
而今激光焊接生产线已
大规模出现在汽车制造业
,
成为汽车制造业突出的成就之一。德国奥迪、奔驰、大
众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在
20
世纪
80
年
代就率先采用激光焊接
车顶、车身、侧框等钣金焊接
, 90
年代美
国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光
焊接引
入汽车制造
,
尽管起步较晚
,
但发展很快。
文档